Свет (физика)

Материал из Циклопедии
(перенаправлено с «Свет»)
Перейти к: навигация, поиск
Свет на электромагнитной шкале
Свет. Двойственность природы света. Популярная физика // capitanchocopie [16:00]

Свет — электромагнитные волны видимого спектра. К видимому диапазону принадлежат электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом (7,5 × 10 14 — 4 × 1014 Гц), то есть с длиной волны от 390 до 750 нанометров.

В физике термин «свет» имеет несколько более широкое значение и является синонимом оптического излучения, то есть включает в себя инфракрасную и ультрафиолетовую области спектра.

Свойства света изучаются разделами физики оптикой и спектроскопией. Измерение интенсивности света — область фотометрии.

Содержание

[править] Физическая природа и свойства света

Благодаря дисперсии белый свет можно разложить в спектр с помощью призмы

Как и любые другие электромагнитные волны, свет характеризуется частотой, длиной волны, поляризацией и интенсивностью. В вакууме свет распространяется с постоянной скоростью, не зависящей от системы отсчета — скоростью света. Скорость распространения света в веществе зависит от свойств вещества и в целом меньше скорости света в вакууме. Длина волны связана с частотой законом дисперсии, который также определяет скорость распространения света в среде.

Взаимодействуя с веществом, свет рассеивается и поглощается. При переходе из одной среды в другую изменяется скорость распространения света, что приводит к преломлению. Наряду с преломлением на границе двух сред свет частично отражается. Преломление и отражение света используется в различных оптических приборах: призмах, линзах, зеркалах, позволяющих формировать изображение.

Излучение и поглощение света происходит квантами: фотонами, энергия которых зависит от частоты:

[math] E = h \nu [/math],

где E — энергия кванта, [math] \nu [/math] — частота, h — постоянная Планка.

Обычный дневной свет состоит из некогерентных электромагнитных волн с широким набором частот. Такой свет принято называть белым. Белый свет имеет спектр, который соответствует спектру излучения Солнца. Свет с другим спектром воспринимается как цветной. Дисперсия света позволяет разложить свет на цветные составляющие.

Как и любая другая электромагнитная волна, свет характеризуется поляризацией. Дневной свет обычно неполяризованный или частично поляризованный. Степень поляризации света меняется при каждом акте отражения от любой поверхности или прохождения через любую среду.

Свет переносит энергию. В частности, солнечный свет является одним из основных источников энергии на Земле. Часть этой энергии воспринимается живыми организмами при фотосинтезе. Использование солнечной энергии человечеством - одна из важнейших современных проблем.

[править] Оптические явления в природе. Источники и приемники света

Физические тела, атомы и молекулы которых излучают свет, называют источниками света. Источники света бывают искусственные и естественные, тепловые и люминесцентные, точечные и протяженные. Например, полярное сияние — естественный, протяженный для наблюдателя на Земле, люминесцентный источник света.

Источниками света является Солнце, вспышка молнии, лампа накаливания, экран телевизора, монитора и т. п. Свет могут излучать также организмы (некоторые морские животные, светлячки и др.)

Устройства, с помощью которых можно выявить световое излучение, называют приемниками света. Среди природных приемников света — органы живых существ.

[править] Восприятие света глазом

Из человеческих органов чувств больше информации об окружающей среде дает нам зрение. Однако видеть окружающий мир люди могут только потому, что существует свет.

Человек видит электромагнитные волны в том видимом диапазоне, который соответствует рецепторам, поглощающим свет соответствующих частот, вызывая при этом соответствующие импульсы в нервной системе. Сетчатка человеческого глаза имеет два типа светочувствительных клеток: палочки и колбочки. Палочки не имеют особой чувствительности к определенному диапазону спектра, зато более чувствительны к свету вообще, поэтому позволяют видеть черно-белое изображение. Колбочки имеют в своем составе молекулы, которые чувствительны к различным диапазонам видимого спектра, поэтому позволяют видеть в цвете.

[править] История исследования света

Древнегреческий философ Эмпедокл утверждал, что Афродита создала человеческий глаз из четырех элементов: огня, воздуха, земли и воды, причем она зажгла в глазу огонь, благодаря которому человек может видеть. Так возникла ложная теория эманации, в которой сомневался в своей «Оптике» Евклид, позже Лукреций. Во 2 веке книгу под названием «Оптика» написал также Птолемей. Он описал преломление света, однако придерживался того взгляда, что человек видит благодаря лучам, исходящих из глаза.

В «Книге об оптике» 1021 года Альхазен развил теорию оптических явлений, постулируя, что освещенная поверхность излучает во всех направлениях, но в глаз попадает только один из таких лучей. Ему принадлежит изобретение камеры-обскуры. По его мнению свет — это поток маленьких частиц. Альхазен описал и пытался объяснить многочисленные оптические явления, такие как тени, затмение, радуга, проводил эксперименты по разделению света на разные цвета, пробовал объяснить бинокулярное зрение, изменение видимых размеров Луны и Солнца вблизи горизонта. Благодаря этим исследованиям Альхазен считается отцом современной оптики.

Начиная с 17 века научные споры о природе света шли между сторонниками волновой и корпускулярной теорий. Основателем волновой теории можно считать Рене Декарта, который рассматривал свет как возмущения в мировой субстанции — пленуме. Корпускулярную теорию сформулировал Пьер Гассенди и поддержал Исаак Ньютон. Волновую теорию света разрабатывали Роберт Гук и Христиан Гюйгенс. По мнению Гюйгенса, световые волны распространяются в специальной среде — эфире.

В начале 19 века опыты Томаса Янга с дифракцией дали сильное свидетельство в пользу волновой теории. Было открыто, что свет является поперечными волнами и характеризуется поляризацией. Янг предположил, что различные цвета соответствуют разным длинам волны. В 1817 году свою волновую теорию света изложил в мемуарах для Академии наук Огюстен Жан Френель. После создания теории электромагнетизма свет был идентифицирован как электромагнитные волны.

Победа волновой теории пошатнулась в конце 19 века, когда опыт Майкельсона-Морли не выявил существования эфира. Волны требуют среды, в которой они могли бы распространяться, однако тщательно спланированные эксперименты не подтвердили существование этой среды. Это привело к созданию специальной и общей теории относительности. Природа электромагнитных волн оказалась сложнее, чем распространение возмущений. Рассмотрение задачи о тепловом равновесии абсолютно черного тела со своим излучением привел к появлению идеи об излучении света порциями — световыми квантами, которые получили название фотонов. Анализ явления фотоэффекта показал, что поглощение световой энергии тоже происходит квантами.

С развитием квантовой механики утвердилась идея Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, по которой свет должен иметь одновременно и волновые свойства, чем объясняется его способность к дифракции и интерференции, и корпускулярные свойства, чем объясняется его поглощение и излучение квантами.

[править] См также

[править] Литература

Персональные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты